Paměťová buňka (výpočetní) - Memory cell (computing)

Rozložení pro křemíkovou implementaci šesti tranzistorových paměťových buněk SRAM.

Paměťová buňka je základním stavebním kamenem paměti počítače . Paměťový článek je elektronický obvod, který ukládá jeden bit binárních informací a musí být nastaven tak, aby ukládal logiku 1 (úroveň vysokého napětí) a resetoval, aby ukládal logiku 0 (úroveň nízkého napětí). Jeho hodnota je udržována/ukládána, dokud není změněna procesem set/reset. K hodnotě v buňce paměti lze přistupovat jejím čtením.

V historii výpočetní techniky byly použity různé architektury paměťových buněk, včetně jádrové paměti a bublinové paměti . Dnes je nejběžnější architekturou paměťových buněk paměť MOS , která se skládá z paměťových buněk MOS ( metal -oxid -semiconductor). Moderní paměť s náhodným přístupem (RAM) používá jako klopné obvody tranzistory MOS s efektem pole (MOSFET), společně s kondenzátory MOS pro určité typy RAM.

Paměťová buňka SRAM ( statická RAM ) je typem klopného obvodu, obvykle implementovaného pomocí MOSFETů. Ty vyžadují velmi nízký výkon, aby byla zachována uložená hodnota, když k nim nemáte přístup. Druhý typ, DRAM ( dynamická RAM ), je založen na kondenzátorech MOS. Nabíjení a vybíjení kondenzátoru může v buňce uložit „1“ nebo „0“. Náboj v tomto kondenzátoru však pomalu unikne a musí být pravidelně obnovován. Kvůli tomuto procesu obnovy DRAM využívá více energie. DRAM však může dosáhnout vyšší hustoty úložiště.

Na druhou stranu většina energeticky nezávislé paměti (NVM) je založena na architektuře paměťových buněk s plovoucí bránou . Technologie energeticky nezávislé paměti včetně EPROM , EEPROM a flash paměti používají paměťové buňky s plovoucí bránou, které jsou založeny na tranzistorech MOSFET s plovoucí bránou .

Popis

Paměťová buňka je základním stavebním kamenem paměti. Lze jej implementovat pomocí různých technologií, jako jsou bipolární , MOS a další polovodičová zařízení . Může být také vyroben z magnetického materiálu, jako jsou feritová jádra nebo magnetické bubliny. Bez ohledu na použitou technologii implementace je účel buňky binární paměti vždy stejný. Ukládá jeden bit binárních informací, ke kterým lze přistupovat čtením buňky, a musí být nastaven tak, aby ukládal 1 a resetoval, aby ukládal 0.

Význam

Čtvercové pole čtených paměťových buněk DRAM

Logické obvody bez paměťových buněk nebo cest zpětné vazby se nazývají kombinační , jejich výstupní hodnoty závisí pouze na aktuální hodnotě jejich vstupních hodnot. Nemají paměť. Klíčovým prvkem digitálních systémů je ale paměť . V počítačích umožňuje ukládat jak programy, tak datové a paměťové buňky slouží také k dočasnému ukládání výstupu kombinačních obvodů pro pozdější použití digitálními systémy. Logické obvody, které používají paměťové buňky, se nazývají sekvenční obvody . Jeho výkon závisí nejen na současné hodnotě jeho vstupů, ale také na předchozím stavu obvodů, jak je určeno hodnotami uloženými v jeho paměťových buňkách. Tyto obvody pro svoji činnost vyžadují generátor časování nebo hodiny.

Počítačová paměť používaná ve většině současných počítačových systémů je budována převážně z buněk DRAM; Vzhledem k tomu, že rozložení je mnohem menší než u SRAM, může být hustěji zabaleno, což poskytne levnější paměť s větší kapacitou. Protože paměťová buňka DRAM ukládá svou hodnotu jako náboj kondenzátoru a existují aktuální problémy s únikem, musí být její hodnota neustále přepisována. To je jeden z důvodů, proč jsou buňky DRAM pomalejší než větší buňky SRAM (statická RAM), které mají svou hodnotu vždy k dispozici. To je důvod, proč se paměť SRAM používá pro mezipaměť na čipu, která je součástí moderních mikroprocesorových čipů.

Dějiny

32x32 jádrová paměťová rovina pro ukládání 1024 bitů dat. 

11. prosince 1946 Freddie Williams požádal o patent na své zařízení pro ukládání katodových trubic (CRT) ( Williamsova trubice ) se 128 40bitovými slovy. Byla uvedena do provozu v roce 1947 a je považována za první praktickou implementaci paměti RAM ( random-access memory ). V tom roce Frederick Viehe podal první patentové přihlášky na paměť s magnetickým jádrem . Praktická paměť s magnetickým jádrem byla vyvinuta An Wangem v roce 1948 a vylepšena Jayem Forresterem a Janem A. Rajchmanem na počátku padesátých let minulého století, než byla v roce 1953 uvedena na trh s počítačem Whirlwind . K jeho rozvoji přispěl také Ken Olsen .

Polovodičová paměť začala na počátku 60. let 20. století s bipolárními paměťovými buňkami, vyrobenými z bipolárních tranzistorů . Přestože zlepšoval výkon, nemohl konkurovat nižší ceně paměti s magnetickým jádrem.

MOS paměťové buňky

Intel 1103 , čip dynamické paměti s náhodným přístupem (DRAM) s kovovým oxidem a polovodičem (MOS) z roku 1970 .

Vynález MOSFET (tranzistor s efektem pole na bázi oxidu kovu a polovodiče), známý také jako tranzistor MOS, Mohameda M. Atally a Dawona Kahnga v Bell Labs v roce 1959, umožnil praktické využití polovodičů typu kov-oxid-polovodič (MOS ) tranzistory jako paměťové prvky paměťových buněk, funkce dříve sloužila magnetickým jádrům . První moderní paměťové buňky byly zavedeny v roce 1964, kdy John Schmidt navrhl první 64bitový P-kanálem MOS ( PMOS ) statická paměť s náhodným přístupem (SRAM).

SRAM má obvykle šest tranzistorových článků, zatímco DRAM (dynamická paměť s náhodným přístupem) má obvykle články s jedním tranzistorem. V roce 1965 používala elektronická kalkulačka Toscal BC-1411 společnosti Toshiba formu kapacitní bipolární paměti DRAM, která ukládala 180bitová data do diskrétních paměťových buněk, skládajících se z germaniových bipolárních tranzistorů a kondenzátorů. Technologie MOS je základem pro moderní DRAM. V roce 1966 pracoval Dr. Robert H. Dennard ve výzkumném středisku IBM Thomas J. Watson na paměti MOS. Při zkoumání charakteristik technologie MOS zjistil, že je schopná stavět kondenzátory a že uložení náboje nebo žádný náboj na kondenzátoru MOS může představovat 1 a 0 bitů, zatímco tranzistor MOS může řídit zápis náboje do kondenzátor. To vedlo k jeho vývoji jednotranzistorové paměťové buňky DRAM. V roce 1967 podal Dennard patent na jednotranzistorovou paměťovou buňku DRAM založenou na technologii MOS.

První komerční bipolární 64bitový SRAM byl vydán společností Intel v roce 1969 s 3101 Schottky TTL . O rok později uvedla na trh první čip s integrovanými obvody DRAM , Intel 1103 , založený na technologii MOS. V roce 1972 překonal předchozí rekordy v prodeji polovodičových pamětí . Čipy DRAM začátkem sedmdesátých let měly tři tranzistorové články, než se od poloviny sedmdesátých let staly standardem články s jedním tranzistorem.

Paměť CMOS byla komerčně využívána společností RCA , která v roce 1968 uvedla na trh 288bitový paměťový čip CMOS SRAM. Paměť CMOS byla zpočátku pomalejší než paměť NMOS , kterou počítače v 70. letech 20. století více využívaly. V roce 1978 společnost Hitachi představila dvoujamkový proces CMOS se svým  paměťovým čipem HM6147 (4 kb SRAM), vyráběným 3 µm procesem . Čip HM6147 dokázal v té době odpovídat výkonu nejrychlejšího paměťového čipu NMOS, zatímco HM6147 také spotřebovával výrazně méně energie. Se srovnatelným výkonem a mnohem nižší spotřebou energie proces CMOS se dvěma jamkami nakonec předběhl NMOS jako nejběžnější proces výroby polovodičů pro paměť počítače v 80. letech minulého století.

Dva nejběžnější typy paměťových buněk DRAM od 80. let minulého století byly zákopové kondenzátorové články a skládané kondenzátorové články. Příkopové kondenzátorové články jsou tam, kde jsou v křemíkovém substrátu vytvořeny otvory (zákopy), jejichž boční stěny jsou použity jako paměťové buňky, zatímco skládané kondenzátorové články jsou nejranější formou trojrozměrné paměti (3D paměť), kde jsou paměťové buňky skládané svisle do trojrozměrné buněčné struktury. Oba debutovali v roce 1984, kdy společnost Hitachi představila příkopovou kondenzátorovou paměť a společnost Fujitsu představila skládanou kondenzátorovou paměť.

Buňky paměti MOS s plovoucí bránou

Plovoucí-gate MOSFET (FGMOS) byl vynalezen Dawon Kahng a Simon Sze v Bell Labs v roce 1967. navrhl koncept paměťových buněk s plovoucí brány, pomocí FGMOS tranzistory, které by mohly být použity k výrobě možností přeprogramování ROM (paměť pouze pro čtení ). Buňky paměti s plovoucí bránou se později staly základem pro technologie energeticky nezávislé paměti (NVM) včetně EPROM (vymazatelná programovatelná ROM), EEPROM (elektricky vymazatelná programovatelná ROM) a flash paměť .

Flash paměť vynalezl Fujio Masuoka ve společnosti Toshiba v roce 1980. Masuoka a jeho kolegové představili vynález NOR flash v roce 1984 a poté NAND flash v roce 1987. Flash paměť s víceúrovňovými buňkami (MLC) představila společnost NEC , která demonstrovala čtyřjádrový procesor. buňky úrovně v 64 Mb flash čipu, který ukládá 2-bit na buňku v roce 1996. 3D V-NAND , kde jsou flash paměťové buňky skládány svisle pomocí technologie 3D CAP ( Flash Trap Flash ), byla poprvé oznámena společností Toshiba v roce 2007 a poprvé komerčně vyrobeno společností Samsung Electronics v roce 2013.  

Implementace

Následující schémata podrobně popisují tři nejpoužívanější implementace pro paměťové buňky:

• Buňka dynamické paměti s libovolným přístupem (DRAM)
• Statická buňka paměti s náhodným přístupem (SRAM)
• Žabky jako J/K zobrazené níže.

Buňka DRAM (1 tranzistor a jeden kondenzátor)

Buňka SRAM (6 tranzistorů)

Taktovaný klopný obvod J/K

Úkon

Paměťová buňka DRAM

Die of the MT4C1024 (1994) integrating one-mebibit of DRAM memory cells.

Úložný prostor

Úložným prvkem paměťové buňky DRAM je kondenzátor označený (4) na obrázku výše. Náboj uložený v kondenzátoru se časem degraduje, takže jeho hodnotu je třeba pravidelně obnovovat (číst a přepisovat). NMOS tranzistor (3) působí jako brána pro umožnění čtení nebo zápisu při otevření nebo skladování v uzavřeném stavu.

Čtení

Pro čtení řádku Word (2) pohání logiku 1 (vysoké napětí) do brány tranzistoru nMOS (3), díky čemuž je vodivý, a náboj uložený na kondenzátoru (4) je poté přenesen do bitového vedení (1) . Bitová linka bude mít parazitní kapacitu (5), která vybije část náboje a zpomalí proces čtení. Kapacitní odpor bitové linky určí potřebnou velikost paměťového kondenzátoru (4). Je to kompromis. Pokud je paměťový kondenzátor příliš malý, napětí bitové linky by trvalo příliš dlouho, než by se zvýšilo, nebo dokonce nevyrostlo nad prahovou hodnotu potřebnou pro zesilovače na konci bitové linky. Protože proces čtení degraduje náboj v paměťovém kondenzátoru (4), jeho hodnota se přepíše po každém načtení.

Psaní

Proces zápisu je nejjednodušší, do bitové linky je vložena logika požadované hodnoty 1 (vysoké napětí) nebo logika 0 (nízké napětí). Řádek slova aktivuje tranzistor nMOS (3), který jej připojí k paměťovému kondenzátoru (4). Jediným problémem je ponechat jej dostatečně dlouho otevřený, aby bylo zajištěno, že je kondenzátor plně nabitý nebo vybitý před vypnutím tranzistoru nMOS (3).

Paměťová buňka SRAM

Paměťová buňka SRAM zobrazující smyčku měniče jako brány

Animovaná západka SR. Černá a bílá znamenají logické „1“ a „0“.
(A) S = 1, R = 0: nastaveno
(B) S = 0, R = 0: podrženo
(C) S = 0, R = 1: reset
(D) S = 1, R = 1: není povoleno
Přechod z omezené kombinace (D) do (A) vede k nestabilnímu stavu.

Úložný prostor

Pracovní princip paměťové buňky SRAM může být snadněji pochopitelný, pokud jsou tranzistory M1 až M4 nakresleny jako logické brány . Tímto způsobem je zřejmé, že v jeho jádru je úložiště buněk postaveno pomocí dvou měničů s křížovou vazbou . Tato jednoduchá smyčka vytváří bistabilní obvod. Logika 1 na vstupu prvního měniče se na jeho výstupu změní na 0 a je přivedena do druhého měniče, který transformuje tuto logiku 0 zpět na logiku 1 přivádějící stejnou hodnotu na vstup prvního měniče. To vytváří stabilní stav, který se v průběhu času nemění. Podobně druhý stabilní stav obvodu má mít logiku 0 na vstupu prvního měniče. Poté, co byl dvakrát převrácen, bude také poskytovat zpětnou vazbu o stejné hodnotě.

Proto existují pouze dva stabilní stavy, ve kterých může být obvod:

• ${\ displaystyle \ scriptstyle Q}$ = 0 a   = 1${\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {Q}}}$
• ${\ displaystyle \ scriptstyle Q}$ = 1 a   = 0${\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {Q}}}$

Čtení

Aby bylo možné přečíst obsah paměťové buňky uložené ve smyčce, musí být zapnuty tranzistory M5 a M6. když přijmou napětí do svých bran ze slova line ( ), stanou se vodivými, a tak se  hodnoty a   přenesou do bitové linky ( ) a do jejího doplňku ( ). Nakonec se tyto hodnoty zesílí na konci bitových řádků.${\ displaystyle \ scriptstyle WL}$${\ displaystyle \ scriptstyle Q}$${\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {Q}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle BL}$${\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {BL}}}$

Psaní

Proces zápisu je podobný, rozdíl je v tom, že nyní je nová hodnota, která bude uložena v paměťové buňce, vložena do bitové linky ( ) a invertovaná do jejího komplementu ( ). Další tranzistory M5 a M6 se otevírají tak, že se do řádku slova ( ) vloží logický jeden (vysoké napětí ). To efektivně spojuje bitové linky se stabilní smyčkou střídače. Existují dva možné případy: ${\ displaystyle \ scriptstyle BL}$${\ displaystyle \ scriptstyle {\ overline {BL}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle WL}$

1. Pokud je hodnota smyčky stejná jako hodnota řízená novou hodnotou, nedojde ke změně.
2. Pokud je hodnota smyčky odlišná od nové řízené hodnoty, existují dvě protichůdné hodnoty, aby napětí v bitových linkách přepsalo výstup měničů, musí být velikost tranzistorů M5 a M6 větší než u tranzistory M1-M4. To umožňuje protékat více proudů prvními, a proto nakloní napětí ve směru nové hodnoty, v určitém okamžiku pak smyčka zesílí tuto mezilehlou hodnotu na plnou kolejnici.

Žabky

Klopný obvod má mnoho různých implementací, jeho paměťový prvek je obvykle západka sestává z hradla NAND smyčky nebo NOR hradla smyčka s dalšími brány slouží k implementaci časování. Jeho hodnota je vždy k dispozici pro čtení jako výstup. Hodnota zůstane uložena, dokud nebude změněna během procesu nastavení nebo resetování. Klopné obvody se obvykle implementují pomocí tranzistorů MOSFET .

Plovoucí brána

Buňka flash paměti

Buňky paměti s plovoucí bránou , založené na tranzistorech MOSFET s plovoucí bránou , se používají pro většinu technologií s nezávislou pamětí (NVM), včetně EPROM , EEPROM a flash paměti . Podle R. Beza a A. Pirovana:

Paměťová buňka s plovoucí bránou je v podstatě tranzistor MOS s hradlem zcela obklopeným dielektrikem (obr. 1.2), plovoucí bránou (FG) a elektricky ovládaným řídicí bránou s kapacitní vazbou (CG). Elektricky izolovaný FG funguje jako ukládací elektroda pro mobilní zařízení. Je tam udržován náboj vstřikovaný do FG, což umožňuje modulaci „zdánlivého“ prahového napětí (tj. VT pozorovaného z CG) buněčného tranzistoru.

Viz také

• Dynamická paměť s náhodným přístupem
• Žabka (elektronika)
• Řadové kladivo
• Statická paměť s náhodným přístupem

Reference